智能化電量傳感器/變送器簡述

一、概述

電量隔離傳感器/變送器是針對工程中的電量檢測(監(jiān)測)，提高系統(tǒng)的整體抗干擾能力，而研制開發(fā)的一種小體積、高性能的電量測試部件(產(chǎn)品)。

電量隔離傳感器/變送器可以對現(xiàn)場的大電流、高電壓、功率、頻率、相角、電度等電參量進(jìn)行隔離測量和變換，也可以對各種微弱信號(如各種橋路信號)進(jìn)行隔離放大和變換，將其調(diào)理后，變換成符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流、頻率等仿真信號或變換成數(shù)字量、開關(guān)量狀態(tài)等信號輸出。這些輸出信號可以和傳統(tǒng)的指針式儀表相接，也與現(xiàn)代的數(shù)字式自控儀表、各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算器系統(tǒng)直接配接，從而可以形成一個(gè)高可靠的工業(yè)檢測(監(jiān)測)或控制系統(tǒng)。

由于電量隔離傳感器在應(yīng)用中，用戶不需做二次開發(fā)工作，高電壓或大電流信號可以直接接入產(chǎn)品，（通過端子、插針輸入或穿孔方式輸入），就可以得到相應(yīng)的輸出信號。因此電量隔離傳感器作為信號調(diào)理、隔離和變換功能摸塊，是工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中比較理想的變送器產(chǎn)品。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制或檢測(監(jiān)測)系統(tǒng)對電量隔離傳感器的要求也越來越高，特別是在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、檢測精度和功能方面。由于數(shù)字化產(chǎn)品不論其性能還是功能，如非線性校正和小信號處理方面，仿真產(chǎn)品是不可比擬的。因此，電量隔離傳感器的數(shù)字化是一種必然趨勢。

下面就電量隔離傳感器的工作原理和其數(shù)字化技術(shù)問題作一個(gè)簡述，供大家參考。

二、電量隔離傳感器基本工作原理

由于電量隔離傳感器產(chǎn)品的被檢測對象主要是電流和電壓信號，所以下面主要介紹電流和電壓信號的檢測原理。

交流信號檢測原理

交流信號又分為交流電壓和電流信號。圖1為交流電流信號的檢測原理框圖，圖2為交流電壓信號的檢測原理框圖，由CT和PT對信號進(jìn)行隔離，電流為穿孔輸入方式，電壓為端子接線輸入方式。

其中，CT為電流互感器，PT為電壓互感器，輸出一般為0~5V或4~20mA。

2. 直流信號檢測原理

圖3為直流信號檢測原理框圖。

圖3 直流信號產(chǎn)品原理框圖

直流信號分為直流電壓和直流電流，直流電流一般是通過電阻取樣，直流電壓一般用電阻降壓處理,由一個(gè)隔離電源向前置放大器供電。

由上述原理框圖可以看出，不論是交流信號還是直流信號，輸入輸出都是完全隔離的，一般，現(xiàn)場輸入信號都是大電流或高電壓，這樣電量隔離傳感器就可以把現(xiàn)場信號與低壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全隔離，避免系統(tǒng)受到強(qiáng)信號的干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

三、電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)

圖4為一種交流信號數(shù)字式電量隔離傳感器的組合框圖，它由互感器、數(shù)據(jù)處理、接口、T/V變換和輸出等部分組成。

圖4 交流信號數(shù)字式電量隔離傳感器原理框圖

互感器有電流互感器和電壓互感器兩種，電流互感器一般為穿孔方式，電壓互感器在其原邊一般需要加限流電阻。

數(shù)據(jù)處理部分是產(chǎn)品數(shù)字化的核心部分，目前一般都選用帶A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)，如PIC16C74、MSP430或ADCUC812等，因此，電路可以很簡單。如果選ADUC812單片機(jī)，則可以直接輸出0~5V電壓信號，因?yàn)槠鋬?nèi)部包含有兩個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器。

接口部分是數(shù)字信號輸出的變換電路，目前廣泛采用的是RS-485總線接口，最常用的接口芯片為ADM483，它可以最多掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然現(xiàn)在也有許多其它類似芯片。RS-232接口一般有兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種就是在RS-485網(wǎng)絡(luò)總在線加一個(gè)RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器，另一種就是，直接把RS-232接口芯片放在產(chǎn)品中，后一種的缺點(diǎn)就是產(chǎn)品的應(yīng)用將受到限制，不能組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只能點(diǎn)對點(diǎn)通訊。CAN-BUS是目前發(fā)展較快的一個(gè)總線，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，可以達(dá)到10km，不會出現(xiàn)總線沖突，多主工作方式，通訊協(xié)議通用性好，當(dāng)然其成本較高。

T/V變換是為了兼容仿真信號采集輸入系統(tǒng)，目前一般是采用PWM方式輸出，再經(jīng)過T/V變換，輸出0~5V或4~20mA仿真信號。

軟件主要包含三個(gè)功能模塊，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通訊協(xié)議。其中數(shù)據(jù)采集主要就是讀取A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果，由于單片機(jī)自帶A/D，因此程序比較簡單。

數(shù)據(jù)處理主要完成交流變直流的運(yùn)算，由于單片機(jī)的運(yùn)算速度有限，因此我們采用頻率跟蹤法，來完成變換的計(jì)算。

通訊協(xié)議一般由用戶選定，如MODBUS協(xié)議，ASCII格式等。

四、結(jié)束語

以上簡單地介紹了電量隔離傳感器的基本工作原理和數(shù)字化技術(shù)問題。由于數(shù)字式電量隔離傳感器可以直接輸出數(shù)字量，對于許多應(yīng)用系統(tǒng)可以省去A/D采集模塊，所以，可以降低系統(tǒng)成本。因此，電量隔離傳感器的數(shù)字化，不僅提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，還可以使用戶進(jìn)一步降低成本。

由于電量隔離傳感器產(chǎn)品種類較多，本文僅介紹了一種交流信號電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)。電量隔離傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的方法較多，目前最普遍的是采用單片機(jī)技術(shù)，因?yàn)樗膽?yīng)用很靈活，可以實(shí)現(xiàn)各種不同功能。隨著集成電路不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了許多專用的芯片，如電度表產(chǎn)品，已有許多專用芯片可選，有數(shù)字接口也有脈沖輸出等。

本文對電量隔離傳感器產(chǎn)品數(shù)字化問題作了膚淺的探討，僅供有關(guān)人員參考，希望起到拋磚引玉的作用，加快電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)的更大發(fā)展。